DE202015004569U1 - Energy management and stratified charge for solar-powered heat pump (EuSfmsbW) - Google Patents
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Abstract
Energiemanagement und Schichtlader für mit solarstrom betriebene Wärmepumpe (EuSfmsbW) wie beschrieben, dadurch gekennzeichnet, dass das System aus Komponenten besteht, die im Markt kaufbar sind und durch den Einsatz von zwei Multifunktionsventilen in der Ausführung als 3-, 4- oder 5-Wegemischer sowohl als Verteilventile für den Vor- und Rücklauf der Wärmepumpe als auch als Mischer fungieren.Energy management and stratified charge for solar-powered heat pump (EuSfmsbW) as described, characterized in that the system consists of components that are purchasable in the market and by the use of two multi-function valves in the execution as 3-, 4- or 5-Wegemischer both acting as distribution valves for the flow and return of the heat pump as well as a mixer.
Description
Die Erfindung ermöglicht eine solarstrombasierte Wärmeversorgung von Gebäuden mit hohem Autarkiegrad.The invention enables a solar power-based heat supply of buildings with a high Autarkiegrad.
1. Stand der Technik/Optimierungsbedarf:1. State of the art / need for optimization:
Die Kombination von Photovoltaik und (Luft-Wasser-)Wärmepumpe hat sich im Anwendungsbereich solarstromgestützter Brauchwasserbereitung als Alternativtechnologie zur Solarthermie bereits weitgehend etabliert. Überwiegend kommen hierbei Brauchwasserwärmepumpen zum Einsatz. Kombisysteme mit solarer Heizungsunterstützung finden noch weniger Verbreitung und erreichen aus folgenden Gründen meist nur einen verhältnismäßig geringen solaren Deckungsgrad an der Wärmeerzeugung:
- • Photovoltaikanlage, Wärmepumpe und Heizwasser- bzw. Kombispeicher sind zu gering dimensioniert. Insbesondere wird die Wärmepumpenleistung und Speichergröße nur knapp nach dem Wärmebedarf ausgelegt, schöpfen also das solare Überschusspotential während der Heizperiode nicht aus.
- • Es erfolgt in der Regel keine echte regelungstechnische Anpassung der Wärmepumpen-Leistungsaufnahme an die Leistungsabgabe der Photovoltaikanlage mit gleichzeitiger Berücksichtigung des momentan verbrauchten Haushaltsstromes. Die Koppelung von Photovoltaik und Wärmepumpe geschieht dann meist über Funksteckdosen, die außerhalb der bedarfsorientierten Betriebszeiten bei Solarstrom-Überschuss über einen Wechselrichter-Kontakt oder einen „Home-Manager” freigeschaltet werden. In diesem Betriebszustand wird dann zur Speicherung von Solarüberschüssen einfach die Solltemperatur des Wasserspeichers erhöht. Nicht leistungsgeregelte Wärmepumpen laufen entweder mit der vorgegebenen Leistung, die vom Betriebspunkt abhängt, oder sie sind ausgeschaltet. Um die Leistung an den Wärmebedarf anzupassen, werden sie getaktet ein- und ausgeschaltet. Bei leistungsgeregelten Wärmepumpen („Inverter-Technologie”) variiert zwar die Leistungsaufnahme, sie lässt sich aber nicht von außen steuern. Wenn nur ein Teil dieser Leistungsaufnahme mit Solarstrom gedeckt werden kann, kommt der Rest des Stromes aus dem Netz.
- • Die hydraulische und regelungstechnische Einbindung der Wärmepumpe in das Heizsystem wird nicht den Ansprüchen gerecht, die eine effektive Nutzung von Solarüberschüssen erfordern. Sie orientiert sich an den althergebrachten Anlagenschemen der Wärmepumpenanwendungen. So wird ein Heizungspufferspeicher, sofern überhaupt vorgesehen, nur wie eine hydraulische Weiche betrachtet und auf einfache Art angeschlossen. Der Tatsache, dass mit der Nutzung von Solarüberschüssen, höhere Temperaturen und damit auch Temperaturunterschiede ins Spiel kommen wird nicht Rechnung getragen. Durch fehlende Weichen bzw. Schichteinrichtungen kommt es zu Vermischungen im Speicher. Eine mehrstufige, temperaturkonforme Speicherbeladung wäre insbesondere deshalb wichtig, weil die Wärmepumpe mit hohem Volumenstrom und kleiner Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf betrieben wird. Durch den üblicherweise vom Speicher hydraulisch entkoppelten Anschluss der Verbraucherkreise ist eine direkte Wärmeübergabe an diese ohne Vermischung bzw. Temperaturverlust nicht möglich.
- • Photovoltaic system, heat pump and heating water or combined storage tank are dimensioned too small. In particular, the heat pump capacity and storage size is designed just after the heat demand, so do not exploit the solar surplus potential during the heating season.
- • There is usually no real regulatory adaptation of the heat pump power consumption of the power output of the photovoltaic system with simultaneous consideration of the currently consumed household electricity. The coupling of photovoltaic and heat pump then usually done via radio-controlled sockets, which are unlocked outside the demand-oriented operating times with solar power surplus via an inverter contact or a "home manager". In this operating state, the setpoint temperature of the water reservoir is then simply increased to store solar surpluses. Non-output-controlled heat pumps either run at the specified power, which depends on the operating point, or they are switched off. To adapt the power to the heat demand, they are switched clocked on and off. Power-controlled heat pumps ("Inverter technology") vary the power consumption, but they can not be controlled externally. If only part of this power can be covered by solar power, the rest of the power comes from the grid.
- • The hydraulic and control technology integration of the heat pump into the heating system does not meet the requirements that require the effective use of solar surplus. It is based on the traditional systems of heat pump applications. Thus, a heating buffer, if provided at all, considered as a hydraulic switch and connected in a simple way. The fact that the use of solar surpluses, higher temperatures and thus also temperature differences come into play is not taken into account. Missing switches or layer devices cause mixing in the storage tank. A multi-stage, temperature-compliant storage load would be particularly important because the heat pump is operated with high flow and small temperature difference between flow and return. By usually hydraulically decoupled from the memory connection of the consumer circuits direct heat transfer to them without mixing or temperature loss is not possible.
2. Aufgabenstellung:2nd task:
Der Erfindung liegt die Aufgabenstellung zugrunde ein standardisiertes, multifunktionales Energiemanagement zu schaffen, das den mit Solarstrom unterstützen Wärmepumpenbetrieb in Kombination mit dem Wärmespeicher, den angeschlossenen Verbraucherkreisen und gegebenenfalls weiteren Zusatz-Wärmeerzeugern energetisch optimiert. Das Ziel dieser Optimierung ist den Netzstrombezug für die Wärmversorgung zu minimieren und den solaren Autarkiegrad zu maximieren.The invention is based on the object to provide a standardized, multi-functional energy management, which optimizes the solar power assisted heat pump operation in combination with the heat storage, the connected consumer circuits and possibly other additional heat generators energetically. The goal of this optimization is to minimize the grid's electricity supply and to maximize solar autonomy.
3. Detaillierte Beschreibung der Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels (siehe Abbildung 1)3. Detailed description of the invention with reference to an embodiment (see Figure 1)
Der Lademanager, eine anschlussfertige Einheit, besteht im Kern aus zwei Multifunktionsventilen in der Ausführung als 3-Wege-, 4-Wege oder 5-Wegemischer (je nach Anwendungsfall). Diese dienen als Verteilventile für den Vorlauf (V1) und den Rücklauf (V2) der Wärmepumpe, können aber prinzipiell auch als Mischer fungieren. So können die Wärmeströme wahlweise passend in den Speicher eingeschichtet, direkt an die Wärmeverbraucher weitergeleitet oder auch gemischt werden. Gesteuert werden die Ventile mit Hilfe von Positioniermotoren in Ausführung als stetig geregelte Stellantrieben mit 0 ... 10 VDC Steuersignal.The Lademanager, a ready-to-connect unit, basically consists of two multifunctional valves in the version as 3-way, 4-way or 5-way mixers (depending on the application). These serve as distribution valves for the flow (V1) and the return (V2) of the heat pump, but can also act as a mixer in principle. Thus, the heat flows can be suitably stratified in the memory, forwarded directly to the heat consumer or mixed. The valves are controlled by means of positioning motors in the form of continuously controlled actuators with 0 ... 10 VDC control signal.
Dank der vielfältigen Anschluss- und Regelungsmöglichkeiten des Lademanagers können unterschiedliche Temperaturniveaus optimal genutzt werden. Durch die direkte Ankopplung von weiteren Wärmeerzeugern und des Heizkreises zwischen Wärmepumpe und Speicher wird eine unmittelbare Wärmeübergabe ohne Temperaturverlust ermöglicht. Zum Speicher weitergeleitet wird nur die nach Abgriff des Heizkreises reduzierte Wassermenge, wodurch beim Einströmen in den Speicher weniger Vermischungen/Turbulenzen verursacht werden und so eine stabilere Temperaturschichtung ermöglicht wird. Das in den Speicher eingeleitete Wasser wird über Düsenrohre beruhigt und über die Fläche gleichmäßig verteilt eingeströmt. Wie in einem Schubladensystem wird die Wärme aus der passenden Schicht entnommen und entsprechend dem Temperaturhub wieder in die passende Schicht abgelegt. Zusätzlich ermöglicht die Drehzahl-Regelbarkeit der Ladepumpe(n) und/oder die Möglichkeit der Temperaturmischung im Rücklauf eine Feinabstimmung des Temperaturhubes um beispielsweise eine bestimmte Zieltemperatur im Vorlauf zu erreichen.Thanks to the manifold connection and control options of the charging manager, different temperature levels can be optimally utilized. The direct coupling of additional heat generators and the heating circuit between the heat pump and the storage tank enables immediate heat transfer without loss of temperature. Forwarded to the memory is only reduced after tapping the heating circuit water quantity, which as it flows into the memory less mixing / turbulence caused and a more stable temperature stratification is possible. The introduced into the memory water is calmed via nozzle pipes and flows evenly distributed over the surface. As in one Drawer system, the heat is removed from the appropriate layer and stored according to the temperature stroke back into the appropriate layer. In addition, the speed controllability of the charge pump (s) and / or the possibility of temperature mixing in the return allows a fine tuning of the temperature to achieve, for example, a certain target temperature in the flow.
Beschreibung Ausführungsbeispiel (siehe Abbildung 1 und 2)Description embodiment (see Figures 1 and 2)
Im Ausführungsbeispiel wird die Luft-Wasser-Wärmepumpe durch eine thermische Solaranlage und einen wasserführenden Holzofen (für kalte, sonnenarme Wintertage) unterstützt. Als Multifunktionsventile fungieren zwei 4-Wege-Bivalentmischer für Vorlauf (
Ein stufenweise regelbarer, ausschließlich mit Solarstrom betriebener Elektro-Heizeinsatz (
Die Warmwasserbereitung (
Der Lademanager ist auch in der Lage ein Mehrspeichersystem zu bewirtschaften, wozu gegebenenfalls – je nach Komplexität – der Einsatz von 5-Wege-Multifunktionsventilen nötig wird.The load manager is also able to manage a multi-storage system, which may require the use of 5-way multifunction valves, depending on the complexity.
Die Pumpengruppen für ein oder mehrere Zusatzwärmeerzeuger (
Hier bewirkt der Einsatz von 4-Wege-Bivalentmischern (anstelle üblicher 3-Wegemischer) eine weitere Erhöhung der Energie-Effizienz:
Der Niedertemperatur-Heizkreis kühlt den unteren Speicherbereich intensiver aus, gleichzeitig bleibt der obere, heißere Bereich solange als möglich unangetastet. Und durch direkte Ankopplung an den Lademanager können zwei verschiedene Temperaturniveaus unmittelbar genutzt werden.Here, the use of 4-way bivalent mixers (instead of conventional 3-way mixers) causes a further increase in energy efficiency:
The low-temperature heating circuit cools the lower storage area more intensively, while the upper, hotter area remains untouched as long as possible. And with direct connection to the charge manager, two different temperature levels can be used immediately.
Der 4-Wege-Mischer im Ofenkreis bewirkt eine schnellere Aufheizung des oberen Speicherbereiches.The 4-way mixer in the oven circuit causes a faster heating of the upper storage area.
Regelung:Regulation:
Hauptausrichtung ist die Eigennutzung von PV-Strom. Dieser steht nur tagsüber zur Verfügung, tagsüber ist normalerweise auch die Außentemperatur höher. Eine Kombination aus Wärmepumpe (WP) und PV-Anlage kann somit sinnvoll betrieben werden.The main focus is the own use of PV power. This is available only during the day, during the daytime, the outside temperature is usually higher. A combination of heat pump (WP) and PV system can thus be operated properly.
Die Regelung misst hierzu die Stromerzeugung über die PV-Anlage (bzw. Strombezugstarife) und den Strombedarf des Gebäudes und ermittelt somit Zeitfenster mit Stromüberschuss, die zur Wärmeerzeugung bevorzugt genutzt werden. Sie passt die elektrische Aufnahmeleistung der modulierenden Wärmepumpe dem Solarstromangebot an.For this, the control measures the power generation via the PV system (or electricity purchase tariffs) and the electricity demand of the building and thus determines time windows with electricity surplus, which are preferably used for heat generation. It adapts the electrical input of the modulating heat pump to the solar power supply.
Durch die gesamtheitliche Betrachtung der Energieflüsse werden die Energiekosten minimiert.The holistic view of energy flows minimizes energy costs.
Das System hat unterschiedliche Strategien zur Ermittlung der aktuellen Verbräuche und klimatischen Gegebenheiten. Ein Teil dieser Funktionen erfordert zusätzliche Wärmemengenzähler in den Erzeuger- bzw. Heizkreisen. Die Wärmepumpe und ggf. eine zum Einsatz kommende Solarthermie-Anlage werden systembedingt bereits erfasst, da im WP-Kreis ein Durchflussgeber vorhanden sein muss.The system has different strategies for determining the current consumption and climatic conditions. Some of these functions require additional heat meters in the generator or heating circuits. The heat pump and, if applicable, a solar thermal system that is being used are already covered by the system because there must be a flow sensor in the HP circuit.
Aus Komfortgründen kann jede Funktion durch den Nutzer innerhalb gewisser Grenzen individuell angepasst werden. Ist die vollständige Versorgung mit Wärme durch eingestellte Begrenzungen gefährdet, wird der Nutzer durch die Regelung darauf aufmerksam gemacht.
- • Es wird eine permanente Berechnung des aktuellen Energiebedarfs des Gebäudes durchgeführt. Hierzu wird die Bilanz der vergangenen Tage erstellt, wobei auch wochentagsspezifische Spitzen berücksichtigt werden. Neben dem Heizwärmebedarf wird auch der Warmwasserbedarf ermittelt. Somit kann eine Verbrauchsprognose erstellt werden. Diese dient als Vorgabe für die Wärmeerzeugung bzw. Bereitstellung
- • Die Wärmeerzeugung berücksichtigt mehrere Einflussgrößen:
- – COP der Wärmepumpe bestimmt in Abhängigkeit von notwendigen Systemtemperaturen und Außentemperatur die Ladezeiten. Es können sowohl systeminterne Prognosen, wie auch externe Wetterberichte eingebunden werden, um tageszeitabhängig mögliche COP-Maxima zu nutzen
- – Berücksichtigung der Tagestemperaturprofile zur Ermittlung der notwendigen Systemtemperaturen und Wärmemengen. Die durch geringere Nachttemperaturen höhere VL-Temperatur wird bereits tagsüber in der benötigten Menge im Puffer eingelagert. (zusätzliche WMZ notwendig)
- – Findet eine Raumtemperaturregelung über den Systemregler statt, kann auch der Estrich als Puffer genützt werden (Latenzzeitmessung über den Estrich bei Inbetriebnahme), wobei die Latenzzeit berücksichtigt wird (primär abendliche Beladung um Überhitzung der Räume zu vermeiden).
- – Die Vorgabe für die Wärmemengenerzeugung muss durch die höheren Außentemperaturen tagsüber erzeugt und eingelagert werden. Hierfür wird innerhalb eines bestimmten Zeitfensters ausschließlich nach Stromangebot Wärme erzeugt. Reicht diese Wärme nicht aus, wird zusätzlich am späteren Nachmittag (höhere Außentemperatur als nachts) die restliche, notwendige Wärme über Netzstrombezug erzeugt. Somit wird der höhere COP bei höheren Außentemperaturen genutzt.
- – Bei Luftwärmepumpen mit WP-Tarif wird die Einschaltzeit in den Bereich der höchsten Außentemperatur gelegt, um auch hier einen COP-optimierten Betrieb zu ermöglichen.
- – Eine Koppelung der Anlage an Freigabezeiten des EVUs ist möglich, die Regelung bietet jedoch über die Funktion „smartgrid ready” weitere Möglichkeiten: bei Freigabe kann mit dem kompletten Leistungspotential aller über die Regelung betriebener Verbraucher gearbeitet werden. Je nach Pufferladezustand und Gebäudebedarf kann über die reine Freigabezeit hinaus eine Leistungsvorgabe zur Entlastung des Stromnetzes berücksichtigt werden. Über die Anlage kann ein Überschuss im Stromnetz kostengünstig in Form von Wärme eingelagert (oder in einen Akku geladen) werden. Wird die Freigabe des EVU an regenerative Überschüsse im Netz gekoppelt, kann in der Heizperiode der Anteil regenerativer Energie am Verbrauch gesteigert werden. Somit ist es auch möglich, bei verkleinerter PV-Anlage einen höheren regenerativen Anteil in der Energieversorgung zu erreichen.
- – Stehen geringe PV-Leistungen zur Verfügung, werden die Verbräuche direkt bedient, d. h. am Puffer vorbei direkt in die Heizkreise geladen. Hierzu dient die vorab beschriebene Hydraulik
mit 2 Mehrwegeventilen. - – Bei Anlagen mit Einzelraumregelung über den Systemregler kann am Puffer vorbei eine sommerliche Kühlung der Heizflächen betrieben werden, ohne den sonstigen Betrieb zu beeinflussen. Die Kühlung kann vor, nach oder im alternierenden Betrieb zur Wärmeerzeugung betrieben werden.
- – Je nach vorhandenen Wärmeerzeuger/-verbraucher wird der Energiefluss im Puffer schichtungsoptimiert geregelt. Hierzu dienen die Mischer der einzelnen Kreise, aber auch die 2 Mehrwegeventile des Lademanagers.
- • Der Regler kann außerdem weitere Funktionen übernehmen, wie z. B.
- – die Freischaltung weiterer Verbraucher (Waschmaschine, Trockner)
- – Verwaltung von Akkube-/Entladung
- – Ladung eines E-Mobils
- • A permanent calculation of the current energy demand of the building is carried out. For this the balance of the past days is created, whereby also weekday-specific tips are considered. In addition to the heating demand also the hot water demand is determined. Thus, a consumption forecast can be created. This serves as a default for heat generation or provision
- • The heat generation takes into account several factors:
- - COP of the heat pump determines the charging times depending on the required system temperatures and outside temperature. Both in-system forecasts and external weather reports can be integrated in order to make use of COP maxima possible depending on the time of day
- - Taking into account the daily temperature profiles to determine the necessary system temperatures and heat quantities. The higher VL temperature due to lower night temperatures is already stored during the day in the required amount in the buffer. (additional WMZ necessary)
- - If a room temperature control takes place via the system controller, the screed can also be used as a buffer (latency measurement via the screed at startup), taking into account the latency (primarily evening loading to avoid overheating of the rooms).
- - The requirement for heat generation must be generated and stored by the higher outside temperatures during the day. For this purpose, heat is generated within a certain time window exclusively according to electricity supply. If this heat is insufficient, the remaining, necessary heat is additionally generated in the later afternoon (higher outside temperature than at night) via grid connection. Thus, the higher COP is used at higher outside temperatures.
- - In the case of air heat pumps with WP tariff, the switch-on time is placed in the area of the highest outside temperature in order to enable COP-optimized operation here as well.
- - It is possible to link the system to the RU's release times, but the control offers further options via the "smartgrid ready" function: when the system is enabled, it can work with the complete power potential of all consumers operated via the control. Depending on the buffer charge state and the building requirement, a power requirement to relieve the power grid can be taken into account beyond the pure release time. Over the plant, a surplus in the power grid can be inexpensively stored in the form of heat (or charged into a battery). If the release of the RU is coupled to regenerative surpluses in the grid, the share of regenerative energy in consumption can be increased during the heating season. Thus, it is also possible to achieve a higher regenerative share in the energy supply with reduced PV system.
- - If low PV power is available, the consumptions are operated directly, ie charged to the buffer directly into the heating circuits. The hydraulic system described above with 2 multi-way valves is used for this purpose.
- - For systems with individual room control via the system controller, a summer cooling of the heating surfaces can be operated past the buffer, without affecting the other operation. The cooling can be operated before, after or in alternating operation for heat generation.
- - Depending on the existing heat generator / consumer, the energy flow in the buffer is controlled to optimize the coating. The mixers of the individual circuits, but also the 2 multi-way valves of the charge manager serve this purpose.
- • The controller can also perform other functions, such as: B.
- - the activation of additional consumers (washing machine, dryer)
- - Management of rechargeable battery / discharge
- - Charging an e-mobile
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Photovoltaikphotovoltaics
- 22
- L/W-Wärmepumpe (Außeneinheit) mit inverter-geregeltem KompressorL / W heat pump (outdoor unit) with inverter-controlled compressor
- 33
- Pumpengruppe Solarthermie (optional)Pump group solar thermal (optional)
- 44
- Pumpengruppe Holzofen (optional) mit 4-Wege-BivalentmischerPump group wood stove (optional) with 4-way bivalent mixer
- 55
- Pumpengruppe Niedertemperatur-Heizkreis mit 4-Wege-BivalentmischerPump group low-temperature heating circuit with 4-way bivalent mixer
- 66
- WarmwasserbereitungWater heating
- 77
- Pufferspeicherbuffer memory
- 88th
- Heizpatrone (optional)Heating cartridge (optional)
- 99
- Lademanagercharging Manager
- 9.19.1
- Kondensator Wärmepumpe (Plattenwärmeübertrager)Condenser heat pump (plate heat exchanger)
- 9.29.2
- Solar-Wärmetauscher (optional)Solar heat exchanger (optional)
- 9.39.3
- Ladepumpe (regelbar)Charge pump (adjustable)
- 9.49.4
- DurchflussgeberFlow transmitter
- 9.59.5
- Multifunktionsventil Vorlauf (Bivalentmischer)Multifunction valve flow (bivalent mixer)
- 9.69.6
- Multifunktionsventil Rücklauf (Bivalentmischer)Multifunction valve return (Bivalent mixer)
- 1010
- T-Stücke mit Abgang zum SpeicherTees with departure to the store
Claims (18)
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| DE202015004569.3U DE202015004569U1 (en) | 2015-06-26 | 2015-06-26 | Energy management and stratified charge for solar-powered heat pump (EuSfmsbW) |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE202015004569.3U DE202015004569U1 (en) | 2015-06-26 | 2015-06-26 | Energy management and stratified charge for solar-powered heat pump (EuSfmsbW) |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE202015004569U1 true DE202015004569U1 (en) | 2016-09-29 |
Family
ID=57178636
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE202015004569.3U Expired - Lifetime DE202015004569U1 (en) | 2015-06-26 | 2015-06-26 | Energy management and stratified charge for solar-powered heat pump (EuSfmsbW) |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE202015004569U1 (en) |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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